Modélisation d une lunette astronomique I. But de la manipulation : Étudier une lunette astronomique modélisée par un couple de lentilles minces convergentes, constituant un ensemble afocal qui est à définir. Relation entre vergence C et distance focale f d une lentille mince : 1 1 1 Relation de conjugaison : - = O' O OF' Dans ce TP, trois lentilles (notées L, L1 et L2 vont être utilisées). Lentilles L L 1 L 2 Ordre de grandeur de la distance focale f en cm Distance focale mesurée en cm par auto collimation 13 cm 33 cm 5 cm II. Principe d une lunette astronomique : Une lunette astronomique est un instrument qui est prévu pour observer un objet de grande dimension très éloigné. Particularités : B (L 1 ) (L 2 ) O 1 1 B 1 O 2 B III. Fabrication d un objet éloigné Principe : Lunette astronomique Spécialité Page 1
III.a. Détermination expérimentale de la distance focale de la lentille (L) À une extrémité du banc, fixer la lanterne équipée de la lettre F servant d objet. L objet est à la graduation «0» du banc. Positionner la lentille (L) de centre O et de vergence + 7,7 δ environ. Placer ensuite un écran (E) de manière à y former une image B nette. III.a.1. Noter les mesures de O et O '. En appliquant la formule de conjugaison, calculer la distance focale f de cette lentille (L). Indiquer alors la valeur de C. Retirer l écran (E). Une autre méthode appelée auto collimation permet de mesurer la distance focale, elle consiste à placer un miroir plan coller à la lentille, allumer la lanterne et positionner la lentille pour former l image du F sur la lanterne. La distance entre la lentille et l objet est la distance focale f III.a.2. Faite la mesure de f III.a.3. Quelle est la méthode la plus fiable? Remplir le tableau du I III.b. Simulation de l observation d une planète Comme vu précédemment, une lunette astronomique est prévue pour observer un objet de grandes dimensions très éloigné. Il est possible de simuler une planète très éloignée en plaçant l objet B précédent dans le plan focal objet de la lentille (L). Placer l objet B symbolisant la planète afin que celleci semble provenir de l infini III.a.1. Comment faut-il alors placer l objet B? III.c. Détermination du diamètre apparent de B B B (L) O La figure ci-dessus montre la direction de d un rayon passant par le centre optique de la lentille qui, dans la situation précédente, délimitent le diamètre apparent de la «planète- B» observée au point O. III.a.1. quoi correspond le diamètre apparent? Lunette astronomique Spécialité Page 2
III.a.2. Déterminer la valeur de, en degrés et en radians, à partir des valeurs de O et de B. IV. L observation à travers la lunette astronomique IV.a. Construction d un modèle de lunette astronomique afocale Une lunette astronomique est constituée de deux lentilles convergentes : ici L 1 et L 2 : La lentille objectif (L 1 ) de vergence +3 δ (à véririfier). La lentille oculaire (L 2 ) de vergence + 20 δ (à vérifier). L ensemble est disposé de manière à constituer un système optique afocal, c'est-à-dire que les rayons entrant parallèlement entre eux dans la lunette en sorte parallèlement entre eux, autrement dit la point focale image (ou foyer image) est à l infini. Le système n a donc pas de distance focale, d où le nom afocale. IV.a.1.. Sur une feuille de papier millimétré, placer sans souci d échelle, les positions des foyers objets et images F1, F1, F2 et F2 des lentilles (L1) et (L2). IV.a.2. Réaliser le montage de cette lunette afocale. Observer, sur un écran, l image intermédiaire et mesurer sa position et sa grandeur. Noter ces valeurs et déterminer la valeur de. IV.b. Grossissement On définit que le grossissement d une lunette est G = / avec l angle sous lequel on voit l objet à l œil nu et l angle sous lequel on voit l objet à travers la lunette. quoi est égal G (en fonction de f 1 et f 2 )? Pour répondre à cette question, vous devez utiliser le schéma cidessus (question IV.a.1) ainsi que l approximation suivante : les angles et étant petits, on peut considérer que = tan ( ) et = tan ( ). IV.a.1. Calculer le grossissement théorique Gthéo de cette lunette afocale à partir des distances focales de (L1) et (L2). IV.a.2. On peut également déterminer expérimentalement le grossissement de la lunette à partir des valeurs de (déterminé à la question 3) et de ( à déterminer à partir des valeurs trouvées à la question III.a.2). Lunette astronomique Spécialité Page 3
B (L 1 ) (L 2 ) O 1 1 B 1 O 2 B IV.a.3. Déterminer Gexp. IV.a.4. Y-a-t-il une grande différence entre Gthéo et Gexp? IV.c. Projection d une image de la planète sur un écran Certains objets, trop lumineux, ne peuvent être observés directement avec une lunette. C est le cas par exemple pour l observation des taches du Soleil. On forme alors sur un écran, placé après l oculaire, une image d assez grandes dimensions de l objet observé. On souhaite former une image B de la planète sur un l écran (E) placé derrière (L 2 ) de manière à ce que sa taille soit plus grande que celle de 1 B 1 (la lunette n est plus afocale). IV.a.1. Sur le compte-rendu, indiquer comment on doit modifier le montage pour voir cette image agrandie sur (E). (schéma attendu avec la zone où il est possible de placer 1B1 par rapport à L2. Réaliser le montage. Défaire le montage et ranger le matériel sur la paillasse et remettre les chaises sur les tables avant de partir. Merci. Lunette astronomique Spécialité Page 4
Matériel Lentilles de 5 cm, 13 cm, et 33 cm Miroirs plans Bancs optique Lunette astronomique Spécialité Page 5